Einrichtung zur Messung son Hoe, hspannungsstössen mittels Ohmschem Spannungsteiler
Es ist bekannt, hohe elektrische Spannungen auf die Weise auszumessen, dass mittels eines Spannungsteilers ein genau bestimmbarer Bruchteil derselben abgeteilt und ausgemessen wird. Gebrauchlich sind Ohmsche und kapazitive Spannungsteiler. Ohmsche Teiler sind grundsätzlich für absolute Spannungsmessung besser geeignet, weil das tber- setzungsverhältnis aus der Widerstandsmessung sehr genau bestimmt werden kann. Dies ist aber nur so lange richtig, als die kapazitiven Streustrome die Messung nicht fäl- schen.
Diese Schwierigkeit wächst mit zunehmender Hohe und Frequenz zu messender Wechselspannungen oder Stossspannungen, weil damit die Grösse der Streukapazitäten und die zeitliche Änderungsgeschwindigkeit der Spannung (mit) zunimmt. Bei Stoss- spannungsteilern für 1 Million Volt zum Beispiel können die kapazitiven Streuströme vor übergehend die Ohmschen Ströme an Grösse erreichen oder sogar übertreffen.
Kapazitive Spannungsteiler, insbesondere solche in atmosphärischer Luft, haben den Nachteil, bei hohen Spannungen ausserordent- lich viel Platz zu beanspruchen. Bereits die kleine Kapazität einer Kugel-Messfunken- strecke benötigt einen Raum, der in vielen Laboratorien nicht verfügbar ist. Ferner haben Glimmerscheinungen und Nachbarobjekte oft Fehler im Ubersetzumgsverhältnis zur Folge.
Um die kapazitiven Streuströme eines Ohmschen Spannungsteilers vom Messwider- stand fernzuhalten, wurde schon versucht, diesen innert eines Kranzes um ihn herum angeordneter Schirmwiderstände, oder innert eines mit Widerstandsdraht bewickelten Zylinders anzuordnen. Diese Methode hat nur bei Niederfrequenz Erfolg, weil nur dann der kapazitive Streustrom des Schirmwiderstandes gegen dessen Ohmschen Strom vernaehlässigt werden kann. Für Hochfrequenz- und Stossmessungen muss ausserdem die Längenausdehnung des Widerstandsdrahtes klein sein, um als punktförmig gelten zu können.
Selbst bei entsprechend gebauten Schirmwiderständen benötigt die Aufladung der Streukapazitäten über Teile des Schirmwiderstandes eine gewisse Zeit (Zeitkonstante des Widerstandes), innerhalb welcher das Teilverhältnis des derart unvollkommen ge schirmten Messwiderstandes nicht richtig sein kann. Damit die Spannungsteilung auch für rasche Spannungsänderung richtig hleibt, müsste der Schirmwiderstand tiefere Werte aufweisen. als jene, die aus Gründen der Verwendung in Stossanlagen noch zulässig sind.
Die Aufteilung eines gegebenen, tiefstzulässigen Widerstandes in zwei parallele Teile, von denen somit jeder höheren Einzelwiderstand aufweisen muss, hat lediglich eine unerwiinschte Vergrösserung der Zeitkonstanten jedes Widerstandes (Fehlerzeitkonstante) zur Folge.
Vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Messung von Hochspannungs- stössen mittels Ohmschem Spannungsteiler, die dadurch gekennzeichnet ist, dass parallel zum Teiler oder zu Teilen desselben Kondensatoren in Serie geschaltet sind, welche für sich längs des Widerstandes den gleichen Verlauf des elektrischen Feldes erzeugen wie der von Gleichstrom durchflossene Widerstand allein, und welche diese Spannungsver- teilung längs des Widerstandes rascher zu erzeugen vermögen, als der Widerstand allein ohne Zusatzkondensatoren es tun könnte, so dass die Ohmsche Spannungsverteilung jederzeit, auch bei raschesten Spannungsänderun- gen besteht.
Der Erfindungsgedanke sei zunächst an den beiden Fig. 1 und 2 erklärt. In Fig. 1 ist ein Ohmseher Widerstand R mit seinen mvermeidlichen Längs-und Querkapazitäten (Erdkapazitäten) C und Ce dargestellt. Es ist bekannt, dass sich die Spannung beim plötz- lichen Anlegen einer Hochspannung IT an den Gesamtwiderstand im ersten Moment so verteilt, wie wenn nur die Kapazitäten vorhanden wären, das heisst nach der Kurve u, die mathematisch durch eine hyperbolische Sinusfunktion ausgedrückt wird. Ihre Krüm- mung hängt nur vom Verhältnis der Kapazi- tätenCi'Ce ab.
Die Abweichung von der Geraden ist um so grösser, je grösser Ce und je kleiner C ist. Erst infolge der anschliessenden weiteren Aufladung der Kapazitäten Ce über Teile des Widerstandes R bildet sich die lineare Spannungsverteilung 1 über den Widerstand, wie sie dem gleichstromdurchflossenen Widerstand entspricht. Diese Aufladung erfolgt in erster Näherung mit einer Zeitkonstanten, die sich darstellt als
T = J R Cet wo Cet die totale Erdkapazität des Widerstandes bedeutet.
Bei den üblichen Messwider- ständen für Stossanlagen fällt diese Zeitkonstante in die Grössenordnung 10-7s. Vor Ablauf dieser Zeit ist die Spannungsverteilung nicht linear, der Strom am untern Ende des Widerstandes noch kleiner als UtR. Das heisst, die Teilung misst rasche Spannungs änderungen nur zum Teil ; rasche Variationen werden zu langsam angezeigt.
Fig. 2 zeigt, wie die künstliche Vergrö- sserung der Längskapazitäten C gegenüber den Erdkapazitäten Ce die Anfangsspan- nungsverteilung längs des Widerstandes beim plötzlichen Anlegen einer Hochspannung U verbessert. Die Krümmung der Kurve u kann durch Vergrössern von C/Ce der geraden Linie 1 beliebig genähert werden, welche den Endzustand (Gleichstromfeld) darstellt. Wenn aber diese Endspannungsverteilung schon im Moment t = o des plötzlichen Spannungsanlegens sich einstellt, so fällt jeder Spannungsausgleichsvorgang im Messwiderstand R dahin.
Sofern dieser Widerstand selber absolut induktionsfrei ist, führt er dann bereits zur Zeit t = o den gewünschten Ohmsehen Strom U/R.
Die nachstehenden Figuren zeigen die Anwendung der erwähnten Erscheinungen auf einen verbesserten Spannungsteiler, der aus einer Serieschaltung eines Hochspan- nungswiderstandes R und eines Niederspannungswiderstandes r besteht, durch den von der Hochspannung Zr ein Bruchteil u abgegriffen wird. Dieser Bruchteil tb wird mit irgend einem Voltmeter gemessen, zum Beispiel einem Oszillographen oder einer Funkenstrecke.
Während der Widerstand R nur sehr wenig Längskapazität aufweist, wird wie in Fig. 2 durch zusätzliche Kondensatoren C dafür gesorgt, dass sich die Längs- spannungsverteilung über R bei rascher Än- derung von U beliebig gut der Geraden nähert, oder genauer gesagt, jener Span nungsverteilung, welche dem gleichstrom- durchflossenen Widerstand-R zukommt.
Fig. 3 zeigt eine Ausführung, bei der sich der Widerstand innerhalb, die spannungssteuernden Kondensatoren ausserhalb eines zylindrischen Isolierrohres befinden.
Ein konzentrisches, weiteres Isolierrohr bildet mit dem ersteren zusammen ein rohrförmiges Isoliergefäss, das zur Aufnahme der Kondensatoren und eventuell von Isolieröl dient.
Durch Vergrösserung und passende Anordnung der Anzahl Kondensatoren C lässt sich das Längsfeld derselben beliebig fein an die Gleichstrom-Feldverteilung des Widerstandes R angleichen. Die unendlich feine Unterteilung der Kondensatoren C ist dabei nicht erforderlich, da ein treppenförmiger Verlauf der Kondensatorfeldverteilung Mc die mittlere, mehr oder weniger stetige Spannungsverteilung des Widerstandes gR ohne Nachteil ersetzen kann, wie Fig. 4 zeigt. Der Strom im induktionsfreien Widerstand R wird auch in diesem Fall sofort den Ohmschen Betrag erreichen, der Niederspannungs- widerstand r somit sofort die richtige Teilspannung aufweisen.
Als induktionsfreie Widerstände-R eignen sich bifilare Drahtwiderstände, kurze Metallwiderstände aus Silizium oder Zirkon, oder auch solche aus Elektrolyten (Salzlösung, Salzsäure, Mannitlösung).
Wie die Unterteilung der Kondensatoren C erreicht wird, spielt dabei keine Rolle. Sie kann so geschehen, dass eine grosse Anzahl von einzelnen Kondensatorwickeln im gezeichneten rohrformigen Gefäss so angeordnet werden, dass die gewünschte mittlere Längsspannungsverteilung entsteht. Oder es kann im rohrförmigen Raum eine Menge kapazitiv seriegeschalteter leitender Einlagen eingewickelt werden, durch deren Dimensionierung die richtige Spannungsverteilung am innern Isolierrohr entsteht, in dem sich der gesteuerte Messwiderstand befindet. Da die Kondensatorstrome in diesem Eohlraum keinerlei magnetischen Fluss zu erzeugen vermögen, sind auch keine Messfehler durch magnetische Induktion möglich.
Sofern die Spannungsverteilung längs der seriegeschalteten Steuerkondensatoren C absolut dieselbe ist wie jene längs des Mess- widerstandes R, so dürfen zwischen beiden Äquipotentialverbindungen angebracht werden, ohne dass dadurch Ströme oder Spannun- gen geändert werden. Dies ist in Fig. 5 angedeutet, in der der den Bruchteil des Widerstandes R bedeutet, der jedem einzelnen Kon- densator C zugeordnet ist. Die genaue Übereinstimmung beider Längsspannungsvertei- lungen von C und R kann durch Abstimmung geschehen, indem zum Beispiel das Produkt C.
JR durchwegs gleich gemacht wird. Zusammengehörende Werte R und C lassen sich derart zu Gliedern des Teilers zusammenbauen. In Fig. 5 ist zugleich die Verwendung eines bei oszillographischen Messungen üblichen Messkabels mit dem Wellenwiderstand Z angedeutet, das an seinem Ende mit einem Ohmschen Widerstand = Z abgeglichen ist. Dadurch wirkt das Messkabel in der Spannungsteilung zu jedem Zeitpunkt wie ein Ohmscher Widerstand vom Betrag Z. Im letzten Glied des Teilers kann der Widerstand JR'einfach isoliert ausgeführt sein (Fig. 5), oder er kann eine besondere Anzapfung r'zum Anschluss des Messkabels aufweisen (Fig. 5a).
Der resul tierende Widerstand des letzten Gliedes soll dem Widerstand der übrigen Glieder JR gleichkommen.
Fig. 6 zeigt eine weniger vollkommene Anordnung des kapazitiv geschirmten, Ohmschen Spannungsteilers, bei welcher der Mess- widerstand R auf der äussern Oberfläche der Kondensatoren C angebracht ist. Imj Gegensatz zu den Anordnungen der Fig. 3 und 5 ist hier der Messwiderstand äussern Feldhern ausgesetzt.
Trotzdem wird wegen der Kon- densatoren C die Gleichstromspannungsver- teilung längs R rascher erreicht, weil der Widerstand P über die natürlichen Kapazitäten Cg eng mit den Kondensatoren C gekoppelt ist, oder analog der Fig. 5 durch Äquipotentialverbindungen mit jenen verbun- demverclen kann, wodurch sieh die Feldver- teilung längs C trotz der Erdkapazitäten Ce auf den Widerstand 2 ? überträgt. Entschei- dend bleibt wie in Fig. 2 das Verhältnis C/Ce der Anordnung.
Fig. 7 gibt ein weiteres Beispiel, bei dem die Kondensatoren C als vier Säulen um den Widerstand R herum angeordnet sind. Die Abschirmung äusserer Felder ist hier besser als in Fig. 6. aber weniger vollkommen als in Fig. 3 und 5. Als noch weniger vollkommener Grenzfall kann eine einzige Säule von Kondensatoren C zur Ausführung kommen, wobei dann Widerstand R und Kapazität C einfach nah nebeneinander sich befinden.
Fig. 8 zeigt eine Möglichkeit, äussere elek- trische Felder mittels von den Kondensatoren C gespeister Aquipotentialringe G abzufangen. Derart lassen sich ähnlich vollkommene Anordnungen erreichen wie in den Fig. 3 und 5. Auch hier sind Querverbindungen zwischen R und C bei vollkommen gleicher Längsspannungsverteilung zulässig. bei nicht genauer tTbereinstimmung werden sie besser weggelassen.
Bei der Verwendung der beschriebenen Spannungsteiler in elektrischen Stossanlagen können die Werte R und C den Anforderungen der Stosskreise angepasst werden. Fig. 9 gibt ein Beispiel, in dem der Widerstand R als Entladewiderstand der Stossanlage bemessen ist, und wobei die aus allen Konden- satoren C resultierende Kapazität so gross ist, dass sie als Belastungskapazität der Stoss- anlage wirkt. In der Fig. 9 stellt St den Stossgenerator in Marxschaltung dar, Rd den Dämpfungswiderstand, und F die Stoss- funkenstrecke des Kreises.
Beim langsamen Aufladen des Stossgenerators spricht F an, und es wird die aus den Kondensatoren C resultierende Belastungskapazität CB über Rd mit einer Zeitkonstante TF geladen, wobei angenähert gilt : TF = Rd. CB.
Anschliessend an diese Aufladung entlädt sich die gesamte Anordnung über den Entladewiderstand R, zum Teil auch über Rd, mit einer Zeitkonstanten, die sich im wesentlichen aus Te = C,/-R + d) ergibt. Beide Zeitkonstanten TF und Te können somit durch entsprechende Werte von CB und Re auf die ge wünschten Grossen eingestellt werden, welche durch die internationalen Bestimmungen über Stossversuche gefordert werden.
Die Grösse und Dauer der am Prüfobjekt P vorhandenen Spannung wird dadurch festgehalten, dass der Kathodenstrahloszillograph KO einen lileinen Bruchteil dieser Spannung aufzeichnet, wobei der Spannungsteiler (R-r-z) dafür sorgt, dass zwischen der Spannung am Prüfobjekt P und derjenigen am KO ein ganz bestimmtes Teilverhältnis auch dann besteht, wenn sich diese Spannungen ausserordentlich rasch, das heisst mit der Grossenordnung einiger 1000 kV/, us ändern.